CN1279362C

CN1279362C - 一种硅微加速度传感器及制作方法

Info

Publication number: CN1279362C
Application number: CN 02151296
Authority: CN
Inventors: 李昕欣; 黄树森; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: CN1415968A

Abstract

本发明涉及一种硅微加速度传感器及制作方法，更确切地说涉及一种单片集成直拉直压微梁结构压阻加速度传感器及制作方法。其特征在于：二个直拉直压微梁对称地位于弯曲主悬臂梁的两边，使得微梁只有X方向的直拉直压变形，微梁的自由端与质量块相连；硼扩散的微梁本身作为压阻敏感电阻；硅框架、悬臂梁、可动质量块、微梁以及过保护机构构成的传感器为单片硅形成的整体式结构；悬臂梁、微梁和过载保护结构的制作是同时完成；其中直拉微梁在SOI材料的上层硅上制作，弯曲悬臂梁的质量块等在下层硅衬底上制作，并有中间的氧化层形成电阻与结构间的电绝缘。本发明适合各种量程(1～1.6×10⁵g)，具有高灵度、高带宽的特点。

Description

一种硅微加速度传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及一种硅微加速度传感器及制作方法，更确切地说涉及一种单片集成直拉直压微梁结构的压阻式加速度传感器及制作方法。它适合于制作各种量程(1g～1.6×10⁵g)，具有高灵敏度，高带宽特点的加速度传感器。属于硅微机械传感器技术领域。

背景技术

随着硅微机械加工工艺的日益成熟，硅微机械加速度传感器由于其价格低、精度高、适合于批量生产，而被广泛地应用于各类运动过程的监控中。其中高灵敏度和宽频率响应的加速度测量传感器在军、民两方面都有着典型而重要的应用。该类传感器传统的的检测核心部件为硅悬臂梁力学敏感结构和其上的压阻等电敏感器件。早期设计的基本结构为质量块加悬臂梁结构，当传感器受到加速度作用时，由于质量块的惯性运动使悬臂梁产生弯曲，而位于悬臂梁上的压阻电敏感器件就检测到这种变形，从而检测到加速度或者振动(见图1)[L.M.Roylance，J.B.Angell，A batch-fabricated siliconaccelerometer，IEEE Trans.on Electron Devices，Vol.ED-26(1979)1911-1917]。即弯曲的悬臂梁储存的势能只有很少一部分反映到同在悬臂梁上的压阻电敏感器件。而在传感器测量过程中，经常会出现加速度很小或者说振动能量很小，因而这种传统的硅悬臂梁力学敏感结构很难检测到很小的加速度或者振动。虽然可通过设计提高梁的力学灵敏度(如把梁做得很薄)，但这样会使结构的固有频率降低，直接降低了器件的响应带宽。SUMINTO等人[SUMINTO，James，Tjan，Meng，Pizeorestistive Accelerometer and Method ofFabrication[P]，World Intellectual Property Organization，international PatentClassification：G01P 15/12，International Publication Date：3 September 1992]给出了一种三梁结构的硅微加速度传感器设计方法。两个微梁同时也是压阻敏感元件。但是由于微梁工作时同时有拉伸(或压缩)和弯曲变形，容易破坏，灵敏度受限。由于受工艺所限，两个微梁的尺寸变化余地小，量程可扩展性差；而且设计的压阻压阻加速度传感器无过载保护结构，器件容易毁坏。Navid Yazdi等人[Navid Yazdi，Farrokh Ayazi，Khalil Najafi，MicromachinedInertial Sensors，ROCEEDINGS OF THE IEEE，VOL.86，NO.8，AUGUST1998，pp.1641-1642]中综述了各种传统结构的压阻式微机械加速度传感器设计，在20～50g量程下的典型灵敏度为1～2mV/g，频率范围在400Hz以内。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成直拉直压微梁结构的压阻式加速度传感器及制作方法，它可更有效的测量加速度(或振动)。其基本构思是设计和制作一种由直拉直压微梁、质量块和悬臂梁构成的结构，实现微梁的直拉直压，并且将压阻敏感电阻区做到微梁上，使加速度带来的质量块动能多数转变为微梁拉压的势能(应力)，从而大大提高了灵敏度。同时，微梁的存在增加了系统的约束，减少了其振动自由度，一阶自由振动频率增加，从而提高了传感器的工作带宽。另外，直拉直压提高了硅微梁的抗破坏性能，和过载保护结构一起，使微机械加速度传感器在承受较大冲击过载的同时，仍能不被破坏，保持正常工作。

本发明的目的是通过下述技术方案具体实施的：设计的加速度传感器包括有悬臂梁、质量块和微梁构成的特殊结构，该结构实现微梁的直拉直压，如图2所示。质量块上加载加速度的时候，质量块近端边缘每一点工作平面内的位移由两部分组成，即随着悬臂梁的弯曲带来的正Y方向的位移和以悬臂梁自由端端点为旋转中心的旋转，该旋转位移又可以分解为X、Y两个方向的位移(其中Y方向的位移是负Y方向的)。注意到微梁的存在同时影响正Y方向位移和负Y方向位移。只要包括微梁在内的结构满足一定的条件，质量块边缘处就会实现这两个Y方向的位移绝对值相等，或者说在Y方向没有位移。此时就可以近似认为微梁只有X方向的变形，是直拉或者直压。直拉和直压的微梁对称的分布在悬臂梁两侧。

制作时把压阻敏感电阻设计在微梁上，并且构成惠斯通电桥，这样微梁的直拉直压就可以很敏感的被检测出来。

本发明的特征在于：

(1)传感器由硅框架、悬臂梁、微梁、可动质量块和过载保护结构构成，其中两个微梁对称地位于弯曲主悬臂梁的两侧；

(2)包括微梁及其位置在内的结构恰到好处地使得微梁只有X方向变形，即直拉或直压；

(3)硼扩散的压阻敏感电阻设计在微梁上；

(4)微梁的自由端与质量块相连；

(5)质量块、微梁、悬臂梁和过载保护结构的尺寸与加速度传感器量程、灵敏度和频率特性有关；

(6)单片硅的整体式结构，无需封装过载保护盖板；

(7)悬臂梁、微梁和过载保护结构的制作是同时完成；其中直拉直压微梁在SOI材料的上层硅上制作，悬臂梁和质量块同时在上层硅和下层衬底硅上制作，并由中间的氧化硅层形成电阻与结构间的电绝缘；用DRIE加工SOI硅片正面过载保护结构、质量块、悬臂梁和微梁；用DRIE从背面刻透下层衬底硅；湿法腐蚀掉质量块、悬臂梁、过载保护结构和框架之间的SOI硅片中间氧化硅层，释放出结构；实现SOI硅片的单片集成制作。

本发明提供的单片集成的直拉直压微梁结构压阻加速度传感器，其可动质量块反映了结构得到的加速度冲击，悬臂梁一方面支撑了可动质量块，另一方面其刚性决定了质量块的位移和动态特性，微梁的自由端与质量块相连，其变形反映了质量块在加速度冲击时的位移。这三部分的结构尺寸必须满足微梁的直拉直压条件，同时和过载保护结构一起，决定了传感器的量程、灵敏度和动态性能。结构的尺寸标注示意请见图4。比如，对小量程(量程小于10g)高灵敏度高带宽的加速度传感器，典型尺寸是悬臂梁长度L为2～3毫米，厚度T为几百微米，宽度W为几十微米；可动质量块由2-1、2-2两部分组成，其e₁、d₁、e₂、d₂为几百微米到2～5毫米，微梁长度一般在50～100微米间，宽度3～7微米，厚度2～5微米。这样的每一组结构尺寸对应于独一无二的微梁位置(即c值)。其中厚度T与所选用的SOI硅片有关，微梁厚度与SOI硅片上层硅厚度有关。对小量程的加速度传感器，过载保护非常重要。过载保护间隙G₁跟设计量程相关。质量块2-2与悬臂梁间隙G₂的大小要同时考虑到微梁的位置和DRIE加工的深宽比。可动质量块和硅框架间隙G₃的大小只需要考虑DRIE加工的深宽比。

本发明采用(100)SOI硅片的微机械加工技术和先进的DRIE来实施，同时完成悬臂梁、敏感微梁、过载保护结构和硅框架的制作，实现了单片集成制造。采用SOI硅片，其中间氧化硅层实现了正面和背面DRIE的自停止。单片集成和自停止刻蚀保证了传感器结构的制造精度，实现了微梁工作时的直拉直压，从而实现传感器的高灵敏度和高带宽。

制作的工艺步骤简单描述如下：

(1)减薄SOI硅片上层硅至微梁设计厚度(比如设计实例1中的2微米)。针对某个型号的传感器，如选用合适的SOI硅片，此步工艺不需要。

(2)淡硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻，硼扩散浓度10¹⁸-10¹⁹/cm³，其方块电阻在100～250欧姆范围内(常规技术)。

(3)浓硼扩散形成欧姆接触区，该接触区使可变电阻的两端与上面的金属引线形成欧姆接触。硼扩散浓度大于10²⁰/cm³，欧姆接触区的方块电阻在10～20欧姆范围内(常规技术)。

(4)在欧姆接触区刻蚀出引线孔(常规技术)。

(5)在硅片上表面淀积薄膜铝并刻成引线和焊盘(常规技术)。

(6)用掩模版光刻出DRIE刻蚀图形，利用光刻胶作为刻蚀掩模材料，采用正面DRIE工艺在SOI硅片正面加工出单元的正面图形。刻蚀在上层硅下的中间氧化硅层处自动停止。该步工艺同时精确地形成悬臂梁和质量块的特殊结、微梁结构和过载保护结构。

(7)用光刻胶保护正面图形，用厚光刻胶作为刻蚀掩膜层，采用背面DRIE工艺刻透SOI硅片的下层衬底硅，加工出质量块和悬臂梁的背面图形；刻蚀在SOI硅片的中间氧化硅层处自动停止，该步工艺类似于(6)

(8)湿法腐蚀掉质量块、悬臂梁、过载保护结构和框架之间的SOI硅片中间氧化硅层，氧等离子体干法刻蚀掉正面图形保护胶，释放出结构。

综上所述，本发明的优点是：

(1)理论分析和模拟计算找到在质量块近端边缘处恰好的某点，在此制作微梁，传感器工作时能实现微梁的直拉直压。由于微梁的刚度很小，并且输入的质量块动能很大部分都转化为微梁的弹性势能，因此在相同加速度时微梁的拉压应力相对于传统设计大得多。从而实现较大的电桥电压输出，提高灵敏度。参见本说明书背景技术和实施例2两部分，可以看到，实施例2的灵敏度比文献报道的高数倍。

(2)结构中除了悬臂梁外还有两个微梁，微梁的存在增加了结构的约束，从而提高了系统的一阶共振频率，也即提高了传感器的工作带宽。参见本说明书背景技术和实施例2两部分，可以看到，实施例2的自由振动频率比文献报道的高数倍。

(3)压阻敏感电阻制作在微梁上，由于微梁的尺寸很小，因此器件工作时很快达到热平衡，而且热平衡温度低。参见实施例1。

(4)采用这样特殊结构的加速度传感器为单片硅的整体式结构，无需另外封装过载保护盖板，因此结构简单，体积小，极大的提高了制造成品率，同时降低了生产成本。

(5)采用包括DRIE在内的微机械集成制造工艺，实现了单片集成，极大的提高了制造成品率，同时降低了生产成本。

附图说明

图1传统的压阻式加速度传感器示意图。

(a)俯视图，(b)为A-A’方向剖视图

图2实现微梁的直拉直压的结构工作原理示意图。

图3(a)不包括硅框架的传感器结构立体示意图。

(b)包括电学部分的传感器结构俯视图。

图4传感器结构尺寸标注示意图。

A、SOI硅片上层硅，B、SOI硅片中间氧化硅层，C、SOI硅片衬底硅；

1、硅框架，2、可动质量块，3、悬臂梁，4、压阻条，

5、铝焊盘及引线，6、微梁，7、过载保护结构，

2-1、可动质量块1，2-2、可动质量块2；

L、W-悬臂梁长度和宽度，

e₁、d₁-质量块2-1长度和宽度，

e₂、d₂-质量块2-2长度和宽度，

l、b、h-微梁长度、宽度和高度，

c-微梁距结构的对称轴距离，

G₁-过载保护间隙，

G₂-质量块2-2与悬臂梁间隙，

G₃-可动质量块和硅框架间隙。

结构厚度即SOI硅片厚度用T表示，图中未标出。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明实质性的特点和显著的进步，然而本发明绝非仅局限于所述的实施例。

实施例1

请参阅图3，该图显示了采用微梁直拉直压设计的加速度传感器的俯视图和立体示意图。它由硅框架、微梁(即硼扩散压阻敏感电阻)、悬臂梁和质量块等部分组成，其中两个微梁对称地位于悬臂梁的两侧。质量块承受Y方向加速度时，悬臂梁弯曲，由于结构设计上的恰到好处，微梁分别被拉伸和压缩而没有弯曲。又由于压阻效应，硼扩散区的电阻率发生变化，输入一定的工作电压，该变化就经惠斯通电桥实现电压输出。该电桥输出电压与与加速度成正比，因此测量输出电压就能测得加速度值。

设计量程为1g的传感器为例。经设计，悬臂梁长度3.2毫米，厚度528微米，宽度60微米；质量块尺寸e₁＝4.8毫米，d₁＝4.8毫米，e₂＝3.04毫米，d₂＝0.64毫米，其中e₁、d₁分别是悬臂梁自由端以远的质量块的长和宽，X方向为长度方向，Y方向位宽度方向，e₂、d₂则分别是悬臂梁自由端以近的质量块的长和宽(请参见图4)；微梁宽3微米，厚2微米，长50微米；实现微梁直拉直压的微梁位置为距离悬臂梁轴心243微米处；过载保护间隙G₁3微米，质量块2与悬臂梁间隙G₂80微米，可动质量块和硅框架间隙G₃80微米；器件厚度528微米由三部分组成，SOI硅片衬底硅525微米，中间氧化硅层1微米，上层硅2微米。单个器件尺寸小于10.2毫米×6毫米×528微米，即体积小于32立方毫米，质量小于78毫克。工作电压为5V时，在一个g加速度作用下，惠斯通半桥输出电压为242毫伏，即灵敏度为242mV/g。自由振动频率为339赫兹。器件工作时热平衡时间不超过0.1秒，平衡温度不超过环境温度10度。

实施例2

设计量程为25g的传感器为例。器件尺寸为：悬臂梁长度1.7毫米，厚度530微米，宽度60微米；质量块尺寸e₁＝2.55毫米，d₁＝2.55毫米，e₂＝1.615毫米，d₂＝0.34毫米；微梁宽6微米，厚4微米，长100微米；微梁位置为距离悬臂梁轴心234微米处；过载保护间隙G₁3.2微米，质量块2与悬臂梁间隙G₂80微米，可动质量块和硅框架间隙G₃80微米。其中器件厚度530微米由三部分组成，SOI硅片衬底硅525微米，中间氧化硅层1微米，上层硅4微米。单个器件体积小于11立方毫米，质量小于27毫克。工作电压为5V时，惠斯通半桥输出电压灵敏度为9.0mV/g。自由振动频率为1673赫兹。其余同实施例1。

实施例3

设计量程为1.6×10⁵g的传感器为例。器件尺寸为：悬臂梁长度200微米，厚度576微米，宽度60微米；质量块尺寸e₁＝300微米，d₁＝300微米，e₂＝190微米，d₂＝40微米；微梁宽7微米，厚50微米，长100微米；微梁位置为距离悬臂梁轴心176微米处；过载保护间隙G₁ 1.5微米，质量块2与悬臂梁间隙G₂120微米，可动质量块和硅框架间隙G₃80微米。其中器件厚度576微米由三部分组成，SOI硅片衬底硅525微米，中间氧化硅层1微米，上层硅50微米。单个器件体积小于2立方毫米，质量小于5毫克。工作电压为5V时，惠斯通半桥输出电压灵敏度为1.5×10^-3mV/g。自由振动频率为3.3×10⁵赫兹。其余同实施例1。

Claims

1.一种硅微加速度传感器，包括硅框架、悬臂梁、微梁、可动质量块，其特征在于：

(1)所述的微梁为二个直拉直压微梁，所述的悬臂梁为弯曲主悬臂梁；

(2)所述的二个直拉直压微梁对称地位于所述的弯曲主悬臂梁的两边，微梁位于质量块边缘使得微梁只有轴向方向的直拉直压变形，即只有X轴方向的变形处；

(3)微梁的自由端与质量块相连；

(4)硼扩散的微梁本身作为压阻敏感电阻；

(5)硅框架、悬臂梁、可动质量块、微梁以及过保护机构构成的传感器为单片硅形成的整体式结构。

2.按权利要求1所述的硅微加速度传感器，其特征在于所选的可动质量块、直拉直压微梁、主悬臂梁三者的结构尺寸与加速度计量程、灵敏度、频率特性直接相关。

3.按权利要求2所述的硅微加速度传感器，其特征在于可动质量块是由连接主悬臂梁的矩形部分和连接微梁的长条形两部分组成，即由悬臂梁自由端以远的质量块和悬臂梁自由端以近的质量块组成。

4.按权利要求2所述的硅微加速度传感器的，其特征在于量程小于10g小量程，悬臂梁长度为2-3毫米，厚度几百微米，宽度数十微米；微梁长度50-100微米，宽度3-7毫米，厚度2-5微米。

5、按权利要求2或3所述的硅微加速度传感器，其特征在于量程为1g，灵敏度为242mv/g，振动频率为339赫兹的振动传感器，悬臂梁长度为3.2毫米，宽度为60微米，矩形质量块长度为4.8毫米，宽度为4.8毫米，长条型质量块长度为3.04毫米，宽度为0.64毫米，微梁宽度为3微米，厚度为2微米，长度为50微米；微梁距悬臂梁轴心243微米；过载保护间隙为3微米，质量块与悬臂梁间隙为80微米，可动质量块和硅框架间隙为80微米。

6、按权利要求2或3所述的硅微加速度传感器，其特征在于量程为25g惠斯通半桥输出电压灵敏度为9.0mv/g，自由振动频率为1673赫兹的传感器，悬臂梁长度为1.7毫米，厚度为530微米，宽度为60微米；质量块尺寸e₁＝2.55毫米，d₁＝2.55毫米，e₂＝1.615毫米，d₂＝0.34毫米；微梁宽6微米，厚4微米，长100微米；微梁位置为距离悬臂梁轴心234微米处；过载保护间隙为3.2微米，质量块2与悬臂梁间隙为80微米，可动质量块和硅框架间隙为80微米，其中器件厚度530微米由三部分组成，SOI硅片基体525微米，中间氧化层1微米，氧化层上硅4微米，单个器件体积小于11立方毫米，质量小于26毫克。

7、按权利要求2或3所述的硅微加速度传感器，其特征在于以设计量程1.6×10⁵g，灵敏度为1.5×10^-3mv/g，自由振动频率为3.3×10⁵赫兹的传感器，悬臂梁长度为200微米，厚度为576微米，宽度为60微米；质量块尺寸e₁＝300毫米，d₁＝300毫米，e₂＝190毫米，d₂＝40毫米；微梁宽7微米，厚50微米，长100微米；微梁位置为距离悬臂梁轴心176微米处；过载保护间隙G₁1.5微米，质量块2与悬臂梁间隙G₂120微米，可动质量块和硅框架间隙G₃80微米；其中器件厚度576微米由三部分组成，SOI硅片基体525微米，中间氧化层1微米，氧化层上硅50微米。

8、一种制作权利要求1所述的硅微加速度传感器的方法，其特征在于采用SOI单片一体集成的方法，包括(100)SOI硅片的微机械加工技术，质量块、悬臂梁、微梁和过载保护结构的制作是同时完成；其中直拉微梁在SOI材料的上层硅上制作，弯曲悬梁和质量块在下层硅衬底上制作，并有中间的氧化层形成电阻与结构间的电绝缘；用深反应离子刻蚀加工SOI硅片正面过载保护机构、质量块、悬臂梁和微梁，然后用深反应离子刻蚀从背面刻透释放出结构；实现SOI硅片的单片集成制作。

9、一种制作权利要求7所述的硅微加速度传感器的方法，其特征在于具体步骤是：

(1)将(100)SOI硅片上层硅减薄至微梁设计的厚度；

(2)淡硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻，硼扩散浓度10¹⁸～10¹⁹/cm³，其方块电阻在100～250欧姆范围内；

(3)使电阻区的两端与外面的金属引线形成欧姆接触的浓硼扩散，其浓度大于10²⁰/cm³，接触的方块电阻在10欧姆内；

(4)在欧姆接触区刻蚀出引线孔；

(5)在硅片上表面淀积薄膜铝并刻成引线和焊盘；

对深刻蚀图形进行光刻，利用光刻胶作为掩膜层，采用正面深反应离子刻蚀工艺在SOI硅片的正面加工出单元的正面图形；刻蚀在硅层下的氧化硅层上自动停止；该步工艺同时精确地形成悬臂梁和质量块的特殊结构和微梁结构以及过载保护结构；

(6)用光刻胶作为掩膜层，采用正面DRIE工艺在SOI硅片的正面加工出单元的正面图形；刻蚀在上层硅下面的中间氧化硅层处自动停止；该步工艺同时精确地形成悬臂梁和质量块的特殊结构、微梁结构和过载保护结构；

(7)用光刻胶保护正面图形，用厚光刻胶作为掩膜层，采用背面DRIE工艺刻透SOI硅片的下层衬底硅，加工出质量块和悬臂梁的背面图形；刻蚀在SOI硅片的中间氧化硅层处自动停止，该步工艺类似于(6)；